一种适用于微小型无人机的感应取电挂钩

技术领域

本发明涉及机电设计领域，具体涉及一种适用于微小型无人机的感应取电挂钩。

背景技术

当前，无人机系统在民用以及军用领域正起着越来越大的作用。其中微小型无人机是指最大起飞重量小于50kg的无人机，由于微小型无人机体积小、重量轻，具有携带方便、起飞着陆简单等优点。在使用中，根据任务的需求，通常会要求无人机具有更高的续航时间或更远的飞行距离。但是由于无人机自身携带能源总量有限，微小型无人机面临着续航时间短、飞行距离小等问题，限制其进一步的广泛应用。

因此，设法提高微小型无人机的飞行时间和飞行距离是非常必要的。无人机常用的能源有燃油和蓄电池。对于采用燃油发动机的无人机，提高飞行时间和距离的方式是增大燃油装载量，但受到飞机体积的限制，燃油装载量不能无限增大，想要增加飞行时间和距离变得十分困难。对于采用蓄电池提供能源的无人机，单方面提高蓄电池的容量会导致电池体积和重量的增加，使得飞行耗能的增加，飞机体积也会急剧增加，对飞行时间和飞行距离的提升并不明显，并且也不适合小型化制作。但是可以为采用蓄电池作为能源的无人机设计额外补充电能的装置。当前实用的补充电能方式有太阳能电池，通过利用太阳能来增加飞机续航时间。但太阳能电池效率低，重量大，只能适用于大展弦比固定翼飞机。并不适用于所述微小型无人机。因此，需要设计其他的补充能源的方法。

发明内容

针对现有技术中提到的无人机补充电能的需要，本发明提出了一种采用输电线感应取电方式的挂钩装置，可以实现无人机在输电线上栖息的同时补充电能。本发明输电线感应取电挂钩采用可收放式的设计，平时可以收起，使用时展开，有利于减小飞行阻力；并且可以实现自动完成钩挂动作和机械自锁。同时，本发明结构紧凑简洁，有利于减小结构重量。

本发明提出的无人机的感应取电挂钩由连杆机构、驱动系统、控制系统组成。连杆机构通过合理的设计，可以实现无人机钩挂在输电线上并获得电能，驱动系统用于驱动连杆机构的收起和展开，控制系统用于控制驱动系统的工作状态。

所述连杆机构由底座、前支杆、挂钩支杆、后支杆、内拉杆、感应线圈和挂钩组成；其中底座为长杆结构，沿无人机机身长度方向布置，并固定在机身上，前支杆下部通过螺栓铰接在底座的前部安装孔，上部通过螺栓与挂钩支杆的上部安装孔铰接，挂钩支杆的上部固定连接有挂钩，挂钩上缠绕有感应线圈，挂钩支杆的下部与后支杆的上部安装孔通过螺栓铰接，后支杆的中部安装孔与内拉杆的上部安装孔通过螺栓铰接，后支杆的下部安装孔与底座的后部安装孔通过螺栓铰接，内拉杆为一端设置有安装孔的长杆结构，内拉杆中部固定安装有定位销，所述定位销与丝杠上的定位槽相配合，使得内拉杆可以沿丝杠的内壁轴向滑动但不能转动，且通过丝杠上的定位槽限制内拉杆的自由行程。

所述驱动系统由驱动系统底座、减速电机、电机齿轮、螺母齿轮、丝杠、角接触球轴承和驱动系统箱盖组成，所述的驱动系统底座为平面结构，所述的驱动系统箱盖是一个没有上盖的矩形的空腔结构，驱动系统箱盖通过螺栓与驱动系统底座相连接，形成封闭空腔结构，封闭空腔内部布置减速电机、电机齿轮、螺母齿轮、丝杠和角接触球轴承，在所述的驱动系统底座上以及驱动系统箱盖的底部分别固定两根同轴的转轴，转轴垂直于驱动系统底座以及驱动系统箱盖的底面，所述转轴与连杆机构中的底座的下部转动连接，整个驱动系统在丝杠的带动下发生绕转轴的转动；减速电机通过螺栓固连在驱动系统底座上，减速电机的输出轴上安装电机齿轮，电机齿轮与螺母齿轮相啮合，螺母齿轮外侧是与电机齿轮相啮合的齿轮，内侧为带有内螺纹的通孔，所述的内螺纹与丝杠配合连接，螺母齿轮安装在两个背对背布置的角接触球轴承的内环上，角接触球轴承的外环安装在驱动系统底座上，所述的电机齿轮与螺母齿轮的旋转面垂直于驱动系统底座的底面；丝杠是一个空心圆柱体，其外侧有外螺纹，外侧通过外螺纹与螺母齿轮的内螺纹连接，丝杠一端开有定位槽，内拉杆底端置于丝杠内，并通过定位销与丝杠连接，定位销位于丝杠的定位槽内；丝杆另一端为梯形圆台结构，用于压触限位开关，以此控制丝杠的极限位置。

所述的控制系统由两个限位开关和一个控制器组成，控制器的作用是综合无人机给出的信号和两个限位开关的信号，控制驱动系统内部减速电机的启动停止和正转反转；第一个限位开关安装在底座上，前支杆的上部设置有压板，当前支杆下降到指定位置时，压板触压第一个限位开关，给出信号并传递到控制器，控制器控制减速电机停转；第二个限位开关安装在驱动系统底座上，当丝杠移动到指定位置时，丝杠末段梯形圆台触压所述的第二个限位开关，给出信号并传递到控制器，控制器使得减速电机停转。

本发明的适用于微小型无人机的感应取电挂钩的工作过程如下：当安装有本发明的无人机飞行到输电线附近后，根据输电线的电磁信号和视频图像确定目标输电线位置，调整无人机飞行姿态，使得无人机飞行方向与目标输电线垂直并且使得飞行高度微低于目标输电线，然后感应取电挂钩展开，当挂钩上部接触到输电线后，即可自动挂在输电线上，同时开始取电过程。充电完成后，驱动系统驱动挂钩实现脱开，无人机继续向前飞行。

本发明的优点在于：

(1)实现了无人机通过感应取电从输电线补充能源的功能；

(2)实现了无人机挂靠栖息在输电线补充能源的同时，机载任务系统可正常工作的功能；

(3)采用可收放式设计，使用时展开，不用时收起，有利于减小飞行阻力；

(4)可以完成自动钩挂输电线并且完成自锁，结构简单，可靠性高，脱钩过程无需复杂动作；

(5)挂钩连杆部分可以单独延长使用，实现更大的捕捉目标输电线的能力；

(6)整体结构紧凑、简洁，有利于减轻重量，提高可靠性，易于加工。

附图说明

图1是本发明感应取电挂钩感应取电原理图；

图2是本发明感应取电挂钩组成图；

图3是本发明安装位置及工作原理示意图；

图4是本发明感应线圈缠绕方式示意图；

图5是本发明内拉杆与丝杠连接示意图；

图6是本发明内拉杆图；

图7是本发明感应取电挂钩延长使用示意图；

图8是本发明驱动系统组成图；

图9是本发明驱动系统螺母齿轮安装示意图；

图10是本发明驱动系统转轴示意图；

图11是本发明驱动系统箱盖图；

图12是本发明限位开关安装位置示意图；

图13是本发明电气设备接线原理图。

图中：

1-底座 2-前支杆 3-挂钩支杆

4-后支杆 5-内拉杆 6-感应线圈

7-前延长杆 8-后延长杆 9-定位销

10-输电线 11-无人机机身 12-无人机重心

13驱动系统底座 14-减速电机 15-电机齿轮

16-螺母齿轮 17-丝杠 18-角接触球轴承

19-驱动系统箱盖 20-限位开关 21-控制器

22-挂钩 23-延长挂钩支杆 24-延长前支杆

25-转轴

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的适用于微小型无人机的感应取电挂钩的取电原理如图1所示，输电线10上通过有交变电流I，在输电线10周围产生以其为圆心的环形交变磁场B，缠绕在挂钩22上的感应线圈6的平面垂直于交变磁场B，根据法拉第电磁感应定律，交变磁场B在感应线圈6内产生交变电流i，此交变电流i可作为能源被微小型无人机使用。通过改变感应线圈6的匝数，满足微小型无人机(以下统一简称为无人机)对不同电压和功率的需求。

本发明提供的微小型无人机的感应取电挂钩包括连杆机构、驱动系统和控制系统，所述的连杆机构的主要功能是实现钩挂动作并承受整机的重量并传递到输电线10上，同时上面缠绕有感应线圈6，可以从输电线10感应出电流。驱动系统的主要功能是驱动连杆机构完成相应的动作。控制系统的主要功能是根据无人机给出的信号，控制驱动系统内部减速电机的启动停止和正转反转，进而控制整套感应取电挂钩的展开与收起。

本发明感应取电挂钩的连杆机构如图2所示，所述连杆机构由底座1、前支杆2、挂钩支杆3、后支杆4、内拉杆5、感应线圈6和挂钩22组成；其中底座1为长杆结构，沿无人机机身11长度方向布置，并固定在机身11上。所述底座1的主要作用是连接无人机机身11和整套感应取电挂钩系统。前支杆2的主要作用是承力和承受输电线10的撞击，前支杆2下部通过螺栓铰接在底座1的前部安装孔，上部通过螺栓与挂钩支杆3的上部安装孔铰接，挂钩支杆3的上部固定连接有挂钩22。挂钩支杆3和挂钩22的主要作用是完成钩挂动作和感应取电，挂钩22上缠绕有感应线圈6，线圈的匝数由无人机所需电压和功率决定，线圈缠绕完成后，在挂钩22外侧涂有保护涂层，感应线圈6的缠绕方式如图4所示，图4中挂钩22前部为移除保护涂层的情形。挂钩支杆3的下部与后支杆4的上部安装孔通过螺栓铰接。后支杆4的主要作用是承受驱动系统传递的力，后支杆4的中部安装孔与内拉杆5的上部安装孔通过螺栓铰接，后支杆4的下部安装孔与底座1的后部安装孔通过螺栓铰接。内拉杆5与丝杠17的连接方式以及内拉杆5的结构如图5和图6所示。所述的内拉杆5为一端设置有安装孔的长杆结构，内拉杆5中部固定安装有定位销9，所述定位销9与丝杠17上的定位槽相配合，使得内拉杆5可以沿丝杠17的内壁轴向滑动但不能转动，且通过丝杠17上的定位槽限制内拉杆5的自由行程。此自由行程的作用是在无人机钩挂输电线10的过程中，由于无人机自身重力作用使得原本处于等待状态呈一定角度的挂钩支杆3和后支杆4有拉开的趋势，使得内拉杆5可以沿丝杠17内壁轴向向上滑动。最终使得挂钩支杆3和后支杆4处在同一直线上，同时挂钩22的前部设计有板状凸起，该凸起恰好可以伸入前支杆2上的两片叉状支杆之间，当挂钩支杆3和后支杆4处于同一直线上的同时，输电线10恰好封闭在挂钩22与前支杆2形成的空间内，保证取电过程中输电线10和感应线圈6之间的感应取电。此后在重力的作用下挂钩支杆3和后支杆4保持处于同一直线上，上部挂钩22与前支杆2在外力的干扰下不能打开，因此连杆机构保持重力自锁。连杆机构的各个构件均设有减轻孔，用于减轻结构重量。

本发明感应取电挂钩的连杆机构也可以进行延长使用，如图7所示。连杆机构延长使用的目的是进一步提高连杆机构展开以后的高度。延长前支杆24和延长挂钩支杆23分别替换原来的前支杆2和挂钩支杆3，同时增加了前延长杆7和后延长杆8，具体连接关系为：延长前支杆24的下部安装孔与底座1的前部安装孔通过螺栓铰接，延长前支杆24的中部安装孔与后延长杆8的中部安装孔通过螺栓铰接在点A，延长前支杆24的上部安装孔与延长挂钩支杆23的下部安装孔铰接在点B。前延长杆7的上部安装孔与延长挂钩支杆23的上部安装孔通过螺栓铰接在点C，前延长杆7的下部安装孔与后延长杆8的上部安装孔通过螺栓铰接在点D，点ABCD形成平行四边形结构。后延长杆8的下部安装孔与后支杆4的上部安装孔通过螺栓铰接。经过延长后的感应取电挂钩工作原理以及使用方法与未延长之前一致，其他未涉及的组件保持不变。

本发明感应取电挂钩的驱动系统如图8和图9所示，所述驱动系统由驱动系统底座13、减速电机14、电机齿轮15、螺母齿轮16、丝杠17、角接触球轴承18和驱动系统箱盖19组成。所述的驱动系统底座13为平面结构，所述的驱动系统箱盖19结构如图11所示，是一个没有上盖的矩形的空腔结构，驱动系统箱盖19通过螺栓与驱动系统底座13相连接，形成封闭空腔结构，封闭空腔内部布置减速电机14、电机齿轮15、螺母齿轮16、丝杠17和角接触球轴承18，以达到隔离、防尘的效果。驱动系统的主要作用是给感应取电挂钩的展开和收起提供动力。在所述的驱动系统底座13上以及驱动系统箱盖19的底部分别固定两根同轴的转轴25，转轴25垂直于驱动系统底座13以及驱动系统箱盖19的底面，如图10所示，所述转轴25与连杆机构中的底座1的下部转动连接，整个驱动系统可以在丝杠17的带动下发生绕转轴25的转动。如图8所示，减速电机14通过螺栓固连在驱动系统底座13的特定安装位置，减速电机14的输出轴上安装电机齿轮15，电机齿轮15与螺母齿轮16相啮合。螺母齿轮16外侧是与电机齿轮15相啮合的齿轮，内侧为带有内螺纹的通孔，所述的内螺纹与丝杠17配合连接，丝杠17所在平面应平行于驱动系统底座13的底面，减速电机14工作时，通过电机输出轴带动电机齿轮15转动，由于电机齿轮15和螺母齿轮16的啮合，螺母齿轮16随之转动，使得螺母齿轮16内部的丝杠17产生直线位移。螺母齿轮16安装在两个背对背布置的角接触球轴承18的内环上，角接触球轴承18的外环安装在驱动系统底座13上，具体安装形式如图9所示，所述的电机齿轮15与螺母齿轮16的旋转面垂直于驱动系统底座13的底面。角接触球轴承18可以承受螺母齿轮16传递的横向和纵向载荷。丝杠17是一个空心圆柱体，其外侧有外螺纹，外侧通过外螺纹与螺母齿轮16的内螺纹连接。丝杠17一端开有定位槽，内拉杆5底端置于丝杠17内，并通过定位销9与丝杠17连接，定位销9位于丝杠17的定位槽内；丝杆17另一端为梯形圆台结构，用于压触限位开关20(如图12右侧)，以此控制丝杠17的极限位置。

本发明感应取电挂钩的控制系统由两个限位开关20和一个控制器21组成。控制器21的主要作用是综合无人机给出的信号和两个限位开关20的信号，控制驱动系统内部减速电机14的启动停止和正转反转。限位开关20的主要作用是限制丝杠17的行程，防止减速电机14堵转烧毁。限位开关20的安装位置如图12所示，第一个限位开关20安装在底座1上，前支杆2的上部设置有压板，当前支杆2下降到指定位置时，压板触压限位开关20(如图12左侧所示)，给出信号并传递到控制器21，控制器21控制减速电机14停转；第二个限位开关20安装在驱动系统底座13上，当丝杠17移动到指定位置时，丝杠17末段梯形圆台触压所述的第二个限位开关20(如图12右侧)，给出信号并传递到控制器21，控制器21使得减速电机14停转。接线原理图如图13所示。

本发明的适用于微小型无人机的感应取电挂钩的钩挂取电过程如图3A～3C所示，图3A～3C依次代表了钩挂输电线动作的三个主要过程状态：折叠状态，等待状态，取电状态。图3A～3C中无人机机身11上的箭头方向代表无人机的飞行方向，无人机重心12为无人机的整机重心。本发明提供的感应取电挂钩的安装位置应在无人机机身11上部并且处于无人机重心12之前。图3A是安装有感应取电挂钩的无人机正常飞行时的示意图，此时感应取电挂钩处于折叠状态，折叠状态时，前支杆3位于最低点，迎风面小，空气阻力较小。当无人机需要补充电能或需要在输电线上栖息时，无人机给出展开指令到控制器21，控制器21驱动减速电机14正转，电机输出轴末端的电机齿轮15旋转带动螺母齿轮16的旋转，进而带动螺母齿轮16内部螺纹连接的丝杠17的移动。由于此时定位销9位于丝杠17上定位槽的最底处，因此丝杠17通过定位销9带动内拉杆5向上推动后支杆4，前支杆2和挂钩支杆3随之运动。丝杠17相对驱动系统底座13继续向上运动，当丝杠17末段梯形圆台触压到安装在驱动系统底座13上的第二个限位开关20(如图12右侧)时，给出信号到控制器21，控制器21控制减速电机14停转，停转后由于螺纹传动的摩擦自锁特性，丝杠17的位置保持固定，此时感应取电挂钩展开到图3B所示的等待状态。等待状态时丝杠17处于上极限位置，但是定位销9处在丝杠17的定位槽的最底端，挂钩22与前支杆2之间保持一定距离未闭合。随后无人机根据输电线10的电磁信号和视频图像确定目标输电线10位置，调整飞行姿态，使得飞行方向与目标输电线10垂直并且使得飞行高度微低于目标输电线10。当目标输电线10到达如图3B所示的位置时，此时无人机的重力将会使得感应取电挂钩按照挂钩22上方和后支杆4上标记的小箭头所示的方向运动，即向上展开运动，过程中使得内拉杆5沿丝杠17的轴向移动，移动完整个自由行程(定位销9到达丝杠17的定位槽最顶部时停止移动)，并最终达到图3C所示的状态并依靠重力保持连杆机构自锁，至此，挂钩动作完成，装置处于取电状态。取电状态时，输电线10处于挂钩22与前支杆2形成的封闭形状内，后支杆4与挂钩支杆3保持处于同一直线上，丝杠17处于上极限位置，定位销9处于丝杠17的定位槽的最顶端。脱钩动作与挂钩动作相反，当无人机补充能源或栖息作业完成后，无人机给出脱钩指令到控制器21，控制器21驱动减速电机14反转，电机齿轮15带动螺母齿轮16的转动，进而使得丝杠17回缩后退的同时带动内拉杆5向下运动，拉动后支杆4的运动，后支杆4拉动挂钩支杆3向下运动，挂钩支杆3的向下运动导致挂钩22打开，前支杆2向下转动，此过程即是感应取电挂钩的折叠动作，折叠动作进行的同时挂钩22上部打开，在重力的作用下无人机从输电线10上滑落，无人机开启动力，继续向前飞行。折叠动作继续进行，当前支杆2上部的压板压触到安装在底座1上的第一个限位开关20(如图12左侧)时，给出信号到控制器21，控制器21控制减速电机14停转，此后感应取电挂钩处于折叠状态。

实施例

本例给出一种本发明感应取电挂钩的尺寸参数。本例采用正常使用方式，底座11长320mm，前支杆12长310mm，挂钩支杆13两安装孔间距为140mm，后支杆14长160mm，内拉杆15长100mm，丝杠25长130mm，丝杠25螺纹长度100mm，丝杠25定位槽长度36mm，丝杠25外径8mm，螺纹为梯形螺纹，牙型角30°，螺距3mm.驱动系统减速电机22为N20减速电机，电机齿轮模数为1.25，齿数10，螺母齿轮24模数1.25，齿数30，角接触球轴承26为7001C，限位开关31型号为OMRON SS5GL微动开关。

经模拟验证，本装置可以实现挂在直径为4cm以下的输电线4上，并可以成功脱离，满足输电线取电的需求。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所做的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。